當(dāng)前，全球民航業(yè)正為實(shí)現(xiàn)航空碳減排目標(biāo)而開(kāi)展積極的行動(dòng)。其中，氫能源飛機(jī)的研發(fā)應(yīng)用已成為重要選項(xiàng)之一。作為飛機(jī)上使用的能源載體，氫氣具有污染少、全球可用和安全等優(yōu)點(diǎn)。因此，氫氣被認(rèn)為是一種合適的航空燃料。

 

利用氫氣為飛機(jī)提供動(dòng)力的方式主要包括：氫氣直接作為燃料電池的燃料源，通過(guò)氫與氧反應(yīng)發(fā)電，為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力；氫氣直接用作改裝發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料源。有預(yù)測(cè)指出，到2030年，全球氫能源飛機(jī)的市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到276.8億美元；到2040年，市場(chǎng)價(jià)值將超過(guò)1740億美元。

 

氫能源飛機(jī)的研發(fā)合作

 

2020年6月，法國(guó)政府公布了支持該國(guó)航空航天業(yè)發(fā)展的計(jì)劃，提出未來(lái)15年內(nèi)投資70億歐元，支持建造氫動(dòng)力“綠色飛機(jī)”。對(duì)此，空客公司首席執(zhí)行官傅里表示，這個(gè)計(jì)劃是完全可行的，但同時(shí)也面臨巨大挑戰(zhàn)。

 

2021年6月，空客公司對(duì)外公布了氫能源飛機(jī)研發(fā)預(yù)測(cè)時(shí)間表?？湛凸颈硎?，到2035年將研發(fā)生產(chǎn)出世界上第一架零碳排放的商用飛機(jī)，主要用于支線(xiàn)運(yùn)輸和短程運(yùn)輸，傳統(tǒng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)將持續(xù)應(yīng)用到2050年。此外，空客公司表示將在2023年之前建造出第一個(gè)液氫罐，并計(jì)劃在2025年進(jìn)行首飛測(cè)試。從技術(shù)角度來(lái)看，氫氣需要在零下250攝氏度狀態(tài)下才能被安全地儲(chǔ)存在飛機(jī)中。因此，對(duì)商用航空而言，最大的挑戰(zhàn)在于開(kāi)發(fā)一種能夠滿(mǎn)足飛機(jī)應(yīng)用所需的重復(fù)熱壓循環(huán)的儲(chǔ)存組件。

 

現(xiàn)在空客公司正在全球范圍內(nèi)積極推動(dòng)氫能源飛機(jī)的研發(fā)合作。2021年9月，空客公司與新西蘭航空公司簽署諒解備忘錄，共同研究在新西蘭應(yīng)用氫動(dòng)力飛機(jī)。今年3月，空客公司與澳大利亞Fortescue未來(lái)工業(yè)公司（FFI）簽署諒解備忘錄，圍繞綠色氫能法規(guī)、基礎(chǔ)設(shè)施和全球供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)等問(wèn)題開(kāi)展專(zhuān)門(mén)研究，共同推動(dòng)航空領(lǐng)域氫燃料使用。FFI將對(duì)供應(yīng)鏈上各個(gè)要素的成本、技術(shù)驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行分析研究，制訂基礎(chǔ)設(shè)施部署方案?？湛凸緦⑻峁┯嘘P(guān)機(jī)隊(duì)的能源使用、航空氫需求、加油規(guī)范和航空監(jiān)管框架等信息。2月，空客公司對(duì)外宣布將使用空客A380作為其ZEROe項(xiàng)目的試驗(yàn)飛機(jī)，空客A380飛行演示機(jī)將配備由CFM國(guó)際公司開(kāi)發(fā)的氫動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)?？湛凸臼紫夹g(shù)官克洛克認(rèn)為，“這是自2020年9月提出ZEROe概念以來(lái)，空客公司為開(kāi)啟氫動(dòng)力飛行新時(shí)代而邁出的最重要的一步”。

 

空客公司還在努力推動(dòng)機(jī)場(chǎng)氫能源網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。2021年9月，空客公司與法國(guó)工業(yè)氣體供應(yīng)商AirLiquide和法國(guó)私人機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商VINCIAirports聯(lián)手，尋求在歐洲建立一個(gè)能夠在未來(lái)運(yùn)營(yíng)氫能源飛機(jī)的機(jī)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。法國(guó)里昂機(jī)場(chǎng)成為首個(gè)項(xiàng)目試驗(yàn)地。該項(xiàng)目將于2023年在里昂機(jī)場(chǎng)開(kāi)工建設(shè)，主要包括在機(jī)場(chǎng)建設(shè)一個(gè)氫氣配送站，為搬運(yùn)設(shè)備、卡車(chē)和巴士等供應(yīng)氫氣；隨后7年內(nèi)，將繼續(xù)大規(guī)模開(kāi)發(fā)建設(shè)用于飛機(jī)燃料操作的液氫基礎(chǔ)設(shè)施；計(jì)劃到2030年，合作三方將共同探索在VINCIAirports旗下的法國(guó)、葡萄牙、英國(guó)和瑞典等國(guó)家機(jī)場(chǎng)建立氫氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存和供應(yīng)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的可能性。

 

氫能源飛機(jī)解決方案“箭在弦上”

 

ZeroAvia公司成立于2017年，在美國(guó)和英國(guó)建有基地，2020年完成了世界上第一次由氫燃料電池支持的商用飛機(jī)飛行。該公司表示，希望在本世紀(jì)30年代制訂出完備的氫能源飛機(jī)解決方案。

 

ZeroAvia公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官威爾認(rèn)為，傳統(tǒng)的航空燃料生產(chǎn)供應(yīng)鏈長(zhǎng)，會(huì)面臨許多問(wèn)題；相比之下，氫能源飛機(jī)具有極大的優(yōu)勢(shì)，“只需要電力和少量水，即可在機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)燃料”。

 

ZeroAvia公司的研發(fā)活動(dòng)得到了業(yè)內(nèi)多家公司的支持。2021年3月，英國(guó)航空公司與其他投資機(jī)構(gòu)共同出資5300萬(wàn)美元，用于支持ZeroAvia公司實(shí)施用于全尺寸支線(xiàn)飛機(jī)2MW氫電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)計(jì)劃。2021年10月，ZeroAvia公司與美國(guó)阿拉斯加航空公司簽署協(xié)議，共同開(kāi)發(fā)一種氫電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠支持76座支線(xiàn)飛機(jī)飛行距離超過(guò)500海里（約合926公里）。2021年12月，Ze？roAvia公司與DeHavilland加拿大公司簽署了諒解備忘錄，為該公司飛機(jī)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)氫電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

ZeroAvia公司正積極推進(jìn)ZA600動(dòng)力系統(tǒng)的認(rèn)證，并計(jì)劃到2026年完成ZA2000發(fā)動(dòng)機(jī)認(rèn)證。屆時(shí)，ZA2000發(fā)動(dòng)機(jī)將具有支持40座~80座飛機(jī)飛行距離超過(guò)700海里（約合1296公里）的能力。

 

氫燃料電池系統(tǒng)持續(xù)升級(jí)

 

HyPoint公司在氫能源研發(fā)領(lǐng)域處于全球領(lǐng)先地位，研發(fā)出渦輪風(fēng)冷氫燃料電池系統(tǒng)，曾獲得國(guó)際獎(jiǎng)項(xiàng)。

 

HyPoint公司表示，可以根據(jù)客戶(hù)的要求，設(shè)計(jì)更新相應(yīng)的氫燃料電池系統(tǒng)。與鋰電池相比，氫燃料電池系統(tǒng)的充電速度更快。

 

HyPoint公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人亞歷克斯認(rèn)為，隨著技術(shù)上不斷實(shí)現(xiàn)突破，氫能源將很快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

 

今年2月，HyPoint公司在英國(guó)建立了新的氫能源研發(fā)和生產(chǎn)基地。該公司表示，此舉是響應(yīng)英國(guó)政府倡議。此前，英國(guó)政府公布了一項(xiàng)3億英鎊（約合4億美元）的投資計(jì)劃，支持開(kāi)發(fā)可持續(xù)航空運(yùn)輸方式，并表示希望英國(guó)能建造出世界上第一架零碳排放長(zhǎng)途飛機(jī)。

 

今年1月，易捷航空公司宣布與CAeS公司合作，共同開(kāi)發(fā)商用飛機(jī)的氫燃料電池推進(jìn)系統(tǒng)。CAeS正在開(kāi)發(fā)9座飛機(jī)燃料電池系統(tǒng)，該飛機(jī)計(jì)劃于2023年投入使用。易捷航空公司表示，將提供氫能源飛機(jī)與航空公司運(yùn)營(yíng)等方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

 

易捷航空公司還表示，公司正與空客、羅羅和萊特電氣等公司就零排放技術(shù)開(kāi)展合作，計(jì)劃到本世紀(jì)30年代中后期，可以為客戶(hù)提供由氫燃料、氫電或電動(dòng)飛機(jī)完成的飛行服務(wù)。

 

2021年11月，巴西航空工業(yè)公司公布了名為Energia的飛機(jī)研發(fā)計(jì)劃，表示研發(fā)目標(biāo)是探索“幫助行業(yè)實(shí)現(xiàn)到2050年凈零碳排放目標(biāo)”的方法，包括多種機(jī)型。其中，氫電動(dòng)能源H2燃料電池飛機(jī)將于2035年推出，最多可搭載19名旅客，二氧化碳排放量為零；EnergiaH2燃?xì)廨啓C(jī)將采用氫或SAF/JetA渦輪推進(jìn)器，能夠容納35名~50名旅客，二氧化碳排放量為零，計(jì)劃在2040年投入市場(chǎng)。

 

新型高效氫推進(jìn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行時(shí)

 

今年2月，美國(guó)能源部批準(zhǔn)普惠公司開(kāi)發(fā)新型高效氫推進(jìn)系統(tǒng)項(xiàng)目?；萜展緦㈤_(kāi)發(fā)一種氫蒸汽噴射中冷渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，在熱力學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中燃燒氫氣，以減少溫室氣體排放。該公司表示，新發(fā)動(dòng)機(jī)將在飛行中實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放，同時(shí)將下一代單通道飛機(jī)的氮氧化物排放量減少80%，并將燃料消耗量減少35%。

 

也是在今年2月，空客公司與大韓航空、韓國(guó)液化氣集團(tuán)和仁川國(guó)際機(jī)場(chǎng)簽署了一份諒解備忘錄，將共同探索氫氣在韓國(guó)航空業(yè)脫碳場(chǎng)景中的應(yīng)用，以及韓國(guó)國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施如何建設(shè)以支持氫能源飛機(jī)運(yùn)行等問(wèn)題的解決方案。其中，韓國(guó)液化氣集團(tuán)將負(fù)責(zé)氫氣生產(chǎn)、液化、儲(chǔ)存和輸送層面的技術(shù)支持，大韓航空將負(fù)責(zé)提供地面飛機(jī)運(yùn)營(yíng)和航空管理與運(yùn)營(yíng)層面的技術(shù)支持，空客公司將提供氫動(dòng)力飛機(jī)技術(shù)層面的支持，仁川國(guó)際機(jī)場(chǎng)將提供機(jī)場(chǎng)發(fā)展計(jì)劃實(shí)施層面的支持。

 

氫能源飛機(jī)研發(fā)雖然已經(jīng)成為主流趨勢(shì)，但是今后發(fā)展仍面臨巨大挑戰(zhàn)。如何儲(chǔ)存氫氣是首要問(wèn)題。液態(tài)氫的能量密度只有傳統(tǒng)航空燃料的1/4左右，這意味著如果想獲得相同的能量，在使用氫氣時(shí)需要一個(gè)更大的儲(chǔ)罐裝置。因此，飛機(jī)需要重新設(shè)計(jì)以增加燃料儲(chǔ)存空間。此外，機(jī)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施也需要進(jìn)行調(diào)整，以便氫氣的運(yùn)輸和儲(chǔ)存。但是，由于氫氣可以從水中提取，機(jī)場(chǎng)可以就地生產(chǎn)氫燃料，從而減少了對(duì)燃料運(yùn)輸?shù)男枨?，減少了排放、運(yùn)輸安全上的隱患。（中國(guó)民用航空局國(guó)際合作服務(wù)中心 齊福全編譯）

 

延伸

 

氫能源成為民航碳減排潛在方案

 

航空業(yè)將在2050年前減少污染，實(shí)現(xiàn)凈零排放目標(biāo)，這使全球航空業(yè)面臨著越來(lái)越大的壓力，因而引發(fā)了一輪令人興奮的創(chuàng)新浪潮，一些觀(guān)察人士將其描述為航空業(yè)的“第三次革命”。

 

較小的無(wú)人駕駛飛行器，例如無(wú)人機(jī)和空中出租車(chē)等，由于運(yùn)營(yíng)時(shí)間較短，適合使用可充電電池供電。與此同時(shí)，從支線(xiàn)渦輪螺旋槳飛機(jī)到單通道客機(jī)，更大的飛機(jī)需要更密集的能源，類(lèi)似于噴氣燃料提供的能源。由于長(zhǎng)途飛行的任務(wù)性質(zhì)，遠(yuǎn)程大型客機(jī)離能夠脫碳還有很長(zhǎng)的路要走，因?yàn)檫h(yuǎn)程飛行運(yùn)載的旅客或貨物很多，這些大型飛機(jī)目前還不能擺脫航空煤油。作為替代措施，航空公司將尋求使用信用機(jī)制來(lái)抵消碳排放量，并使用可持續(xù)航空燃料。

 

對(duì)于中期市場(chǎng)的挑戰(zhàn)，氫能源具有很大優(yōu)勢(shì)，正成為潛在解決方案。研究發(fā)現(xiàn)，僅為飛機(jī)四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中的一臺(tái)提供動(dòng)力所需的電池就足以裝滿(mǎn)整個(gè)客艙和貨艙。因此，現(xiàn)在更傾向于挖掘氫能源潛力?？湛凸居?jì)劃在2035年之前交付一架零碳排放飛機(jī)，現(xiàn)在正在探索研發(fā)由通過(guò)改裝的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和氫燃料電池提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)。

 

人們?cè)絹?lái)越關(guān)注氣候變化的影響，各國(guó)政府已經(jīng)表示不能通過(guò)放棄航空旅行來(lái)應(yīng)對(duì)氣候變化。在新冠肺炎疫情導(dǎo)致全球大部分客機(jī)停飛之前，航空業(yè)的碳排放量約占全球排放量的2.5%。但這一數(shù)字將上升，因?yàn)槠渌袠I(yè)的脫碳速度快于航空業(yè)。例如，汽車(chē)行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用電池和混合動(dòng)力汽車(chē)。

 

航空公司也在推動(dòng)這一轉(zhuǎn)變。在航空公司中，易捷航空的聲音最大。易捷航空的年輕客戶(hù)越來(lái)越想知道自己什么時(shí)候可以預(yù)訂更環(huán)保的飛機(jī)，這促使易捷航空首席執(zhí)行官約翰·倫德格倫承諾減少易捷航空對(duì)環(huán)境的影響。易捷航空已經(jīng)與專(zhuān)門(mén)從事零碳排放技術(shù)的萊特電氣和空客公司建立了合作伙伴關(guān)系。易捷航空發(fā)布的消息稱(chēng)，到本世紀(jì)30年代中期，氫動(dòng)力飛機(jī)的航程將達(dá)到1300公里，這將使人們?cè)趥惗嘏c巴塞羅那等熱門(mén)城市之間的旅行實(shí)現(xiàn)零碳排放。

 

3月，英國(guó)航空航天技術(shù)研究所發(fā)布了FlyZero研究項(xiàng)目的第一份報(bào)告，對(duì)零碳商業(yè)飛行進(jìn)行了研究，對(duì)氫能源在航空領(lǐng)域的潛力給予認(rèn)可。該項(xiàng)目匯集了來(lái)自英國(guó)各地的專(zhuān)家，評(píng)估潛在的零碳排放飛機(jī)概念的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、制造需求、運(yùn)行要求和市場(chǎng)機(jī)遇。

 

FlyZero研究報(bào)告得出結(jié)論，綠色液氫是最可行的零碳排放燃料，有可能應(yīng)用于使用燃料電池、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和混合動(dòng)力系統(tǒng)的更大飛機(jī)上。FlyZero項(xiàng)目總監(jiān)ChrisGear和ATI首席執(zhí)行官加里·埃利奧特表示：“今天制造的飛機(jī)比以往任何時(shí)候都更高效，而且將越來(lái)越多地使用化石燃料的替代品。這表示我們?cè)谔寂欧欧矫嫦蛉驓夂蚰繕?biāo)邁進(jìn)了一大步。但是，如果我們可以完全消除碳排放，情況會(huì)怎樣？航空業(yè)的新紀(jì)元即將到來(lái)。”

 

雖然挑戰(zhàn)是巨大的，但要取得成功的雄心更大，大量投資資金涌入關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域。但需要制造的不僅是新型飛機(jī)本身。如果要讓大型飛機(jī)在2035年前投入運(yùn)營(yíng)，必須大力推進(jìn)氫能源進(jìn)入商業(yè)客運(yùn)服務(wù)所需的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、更廣泛的能力建設(shè)，以及監(jiān)管和審定框架建設(shè)。FlyZero研究報(bào)告指出，需要特別關(guān)注的領(lǐng)域包括低溫氫燃料系統(tǒng)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)和進(jìn)行地面、空中驗(yàn)證的飛機(jī)。與此同時(shí)，航空業(yè)必須繼續(xù)推進(jìn)可持續(xù)航空燃料所需的技術(shù)研發(fā)，如果要在2050年實(shí)現(xiàn)凈零碳排放目標(biāo)，就需要有可持續(xù)航空燃料和氫能源。

 

FlyZero研究報(bào)告的結(jié)論是在支線(xiàn)、窄體和中型飛機(jī)市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)2050年凈零碳排放目標(biāo)是可行的，但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳途徑是通過(guò)加速大型（窄體和中型）商用飛機(jī)的投入使用。FlyZero研究報(bào)告指出，新飛機(jī)將能不經(jīng)停到達(dá)世界上任何目的地。這種方法的商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小于先研發(fā)窄體飛機(jī)，并將使基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)集中在少數(shù)幾個(gè)較大的國(guó)際樞紐機(jī)場(chǎng)。

 

如果這一點(diǎn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，該怎么辦？風(fēng)險(xiǎn)是顯而易見(jiàn)的。如果航空業(yè)不能足夠快地脫碳，限制航空業(yè)的措施將可能出現(xiàn)，但是國(guó)家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)的連鎖反應(yīng)取決于商務(wù)和休閑飛行。FlyZero研究報(bào)告指出，如果到2050年全球50%的商業(yè)機(jī)隊(duì)采用氫能源飛機(jī)。最大的好處是，迅速減少全球航空業(yè)的二氧化碳排放。

 

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)并非易事。我們正處于航空業(yè)的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)，自噴氣式飛機(jī)時(shí)代以來(lái)可改變航空業(yè)的前夜，過(guò)去從未見(jiàn)到這樣的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。（中國(guó)民用航空局國(guó)際合作服務(wù)中心 王堪林編譯）